1、化学工程基础 复习2022-6-912022-6-92第二章 流体流动与输送 n内容提要：本章主要讨论化工生产过程中的流体流动的基本原理及流体流动的基本规律，并运用这些原理与规律去分析和解决化工生产中的物料输送问题。n基本要求：n1.了解化工生产过程中流体流动的基本规律；n2.掌握柏努利方程及其在化工生产中的应用；n3.掌握流体在管内流动阻力的计算；n4.了解流体输送机械的工作原理和相关计算。2022-6-93流体静力学方程 受力分析：1）向上作用于薄层底面的总压力 p A2）向下作用于薄层顶面的总压力（p+dp）A3）薄层向下作用的重力gdz A平衡时：所有力相等 p A= （p+dp）A
2、+ gdz A积分得：p2=p1+g（z1-z2） 流体静力学基本方程 2022-6-94 =n此数群被称之为雷诺准数。 雷诺准数值的大小，可以用来判断流动类型。 Re4000 ，湍流， Re=2000-4000，过渡流。duRe0001131TMLTMLMLTLL2022-6-95流动边界层 2022-6-96n在距离内流体层呈现速度梯度，这个速度梯度区称为流动边界层。n层流内层或滞流内层n稳定段的长度 L0：流体流动从管道入口开始形成边界层起直到发展到边界层在管道中心汇合为止的长度。 层流稳定段长度： L0/d=0.0575Re 湍流一般为圆管直径的50100倍。2022-6-97 实际流
3、体的柏努利方程式注意: 压头 He=W/(qmg)，(m)； 压头损失 Hf=E失/(qmg)，(m)理想柏努利方程式2022-6-98柏努利方程的应用，要注意以下几点： 1.选取截面，实际是确定衡算范围。截面可以有许多，选取已知条件最多的截面，是选取截面的原则。从数学角度讲，选取截面就是选边界条件。 2.确定基准面。主要是计算截面处的相对位能。一般是选位能较底的那个截面为基准面。此时这个截面的位能为零。 3.压强的单位要统一。要么都用表压，要么都用绝压等。如有通大气的截面，以表压为单位时，该处截面表压为零。2022-6-994大口截面的流速为零。5上游截面与下游截面的确定。柏努利方程更确切的
4、表达式为： 上游截面的三项能量+从输送机械获得的能量 =下游截面的三项能量+管道中的摩擦损失能量 6 水平管截面确定基准面时，一般是取通过管中心的水平面为基准面。2022-6-910管内流动阻力 在管路流动阻力分直管阻力和局部阻力。流体流动的总阻力损失=沿直管流动产生的摩擦阻力损失 +遇到变径、变向的障碍产生的局部阻力损失压降： P= hf =（ hf+ hf)2022-6-911n连续性假定：连续性假定：化学工程中所研究的液体流动规律，不论是液体分子的微观运动，还是流体在生产装置内的整体机械运动，它都是由无数流体质点所组成的连续介质，因此可以取大量流体分子组成的微团为流体运动质点，并以这样的
5、质点为研究对象。n理想流体：理想流体：无黏性、在流动中不产生摩擦阻力的流体。n相对密度：相对密度：物质密度与4纯水密度之比，用符号d表示，量纲为一。n平均密度：平均密度：各组分密度与其相对体积分数乘积之和。n流体静力学方程应用：流体静力学方程应用：U行管压差计、微差压差计、液位计、液封。 2022-6-912n流量：流量：单位时间内通过导管任意横截面积的流体量为流量。n流速：流速：单位时间内流体在导管内流过的距离称为流速。n流速的选择：流速的选择：建设投资费用和运行操作费用综合考虑经济流速。n稳态流动：稳态流动：在流体流动系统内，任一空间位置上的流量、流速、压力和密度等物理参数，只随空间位置的
6、改变而改变，而不随时间变化的流动。n层流：层流：管中流动流体的质点只沿管轴方向平行流动，而不作垂直于管轴的径向扰动。（或称滞留）2022-6-913n湍流：湍流：管中流动流体的质点相互扰混，使流体质点的流动速率和方向呈现不规则变化，甚至形成涡流。（或称紊流）n黏性：黏性：流体流动时，往往产生阻碍流体流动的内摩擦力的流动特性。n黏度：黏度：一般由实验测定，与压强关系不大，但受温度影响。液体的黏度随温度的升高而减小，气体的黏度随温度的升高而增大。单位1P=100cP=0.1Pas=0.1Nsm-2n运动黏度：运动黏度：流体黏度与密度之比，符号用表示，单位m2s-1n边界层：边界层：壁面附近流速变化
7、较大的区域，u=099%u，流动阻力主要集中在此区域。n主流区：主流区：流速基本不变化，u98%u，流动阻力可忽略。2022-6-914n稳定段长度稳定段长度L：流体流动从管道入口开始形成边界层起直到发展到边界层在管道中心汇合为止的长度。n边界层分离：边界层分离：当流体通过曲面（圆柱体表面、球面等）流动时，则出现边界层脱离固体壁面的流动现象。还通常发生在管道截面突然收缩或扩大，突然改变流动方向，以及流动过程中遇到障碍物等处。n形体阻力形体阻力:由于固体表面的形状致使流体流动时产生漩涡而导致的能量损失。n流速分布：流速分布：一半管中心处的流速最大，越靠近管壁流速越小，紧靠管壁的流速等于零。平均流
8、速为最大流速的一半。2022-6-915 直管阻力：直管阻力：又称沿程阻力，是流体沿直管流动时因摩擦而产生的能量损失。n局部阻力：局部阻力：流体通过管路中的管件、阀门时，由于变径、变向等局部障碍，导致边界层分离产生漩涡而造成的能量损失。n摩擦系数：摩擦系数：1N流体在管道中流经一段与管道直径相等的距离所造成的压头损失与其所具有的动压头之比。n相对粗糙度：相对粗糙度：/d为管壁绝对粗糙度和管径d之比。量纲为一。粗糙度的大小并未改变层流的速度分布和内摩擦规律。2022-6-916n当量直径：当量直径：非圆形管道:流道横截面积的4倍除以流体浸润周边的长度;套管环隙：外管内径与内管外径之差。当量直径越
9、大，阻力损失越小；圆管阻力损失小于方管。n流体流量的测量：流体流量的测量：孔板流量计、转子流量计。前者阻力损失较大。n离心泵工作原理：离心泵工作原理：先将液体注满泵壳，叶轮逆时针高速旋转，将液体甩向叶轮边缘，产生高的动压头，由于泵壳液体通道设计成界面扩大的形状，高速流体逐渐减速，由动压头变为静压头，所以液体流出泵壳时具有高压。在液体被甩向叶轮边缘的同时，叶轮中心液体减少，出现负压，则常压下液体不断补充至叶轮中心处，于是，离心泵叶轮源源不断输送液体。2022-6-917n气缚：气缚：离心泵启动时必须先使泵内充满液体，这一操作过程称为灌泵。如果不进行灌泵，泵内充满空气，则由于空气密度太小，造成的压
10、差或泵吸收入口的真空度很小而不能将液体吸入泵内的现象。n避免气缚：避免气缚：吸入管应不漏入空气在吸入管底口安装底阀，不能使停电时泵内液体流出不用于输送因抽吸而沸腾汽化的低沸点液体或高温液体。n扬程：扬程：泵对每牛顿重力的液体提供的能量，也称压头。单位m。n流量：流量：泵在单位时间内输送液体的体积，又称送液能力。即为体积流量，单位m3s-1.n轴功率：轴功率：电动机或其它原动机直接传递给泵轴的功率，用P表示。轴功率大于有效功率Pe。离心泵的效率一般在50%70%之间，有些大型泵可以超过80%。为泵选电动机时，考虑泵在超负荷运转以及机械传动功率，而计入适当的安全系数，配用电动机功率应大于轴功率。（
11、轴功率越小，安全系数越大）2022-6-918n离心泵特性曲线：离心泵特性曲线：流量增加，泵的扬程减小流量增加，轴功率增大随着流量的增加，离心泵效率先增加，达到峰值后反而下降。n高效区：高效区：由于输送条件的种种限制，往往不能保证泵在最高效率点下工作，于是将最高效率的92%区域规定为泵的高效区。n气蚀：气蚀：提高泵的安装位置，叶轮进口的压强（离心泵的入口压强稍微大于输送液体在该温度下的饱和蒸气压）可能降至输送液体的饱和蒸气压，引起液体部分汽化，含气泡的液体进入叶轮后，因压强升高，旗袍立即聚集，气泡的消失产生局部真空，周围液体以高速涌向气泡中心，造成冲击和振动。尤其当气泡的聚集发生在叶片表面附近
12、时，众多液体质点犹如细小的高频水锤撞击着叶片，；另外，气泡中心可能带有些氧气等对金属材料发生化学腐蚀作用。泵在这种状态下长期运转将导致叶片过早损坏的现象称为气蚀。n离心泵在产生气蚀条件下运转，泵体振动并发出噪声，流量、扬程和效率都将明显下降，严重时，吸不上液体。为避免气蚀现象，泵的安装高度不应太高，以保证叶轮中各处压强高于液体的饱和蒸气压 。2022-6-919n泵的安装高度：泵的安装高度：其中称为允许吸上真空高度，用表示，也就是所谓的最大安装高度。第二项为吸入管路上的流体动压头，当较小时，较大，故吸入管管径常大于压出管管径，其目的就是为了减小吸入管路中的流体动压头。第三项为吸入管路的阻力损失
13、，为了减小阻力损失以增加泵的安装高度，在吸入管路上应尽量减少管件和阀门的个数。输送液体温度越高，允许吸上真空高度就越低。n泵的性能判定：泵的性能判定：扬程送液能力（体积流量）。n离心泵的类型：离心泵的类型：水泵（B型、D型、Sh型）、耐腐蚀泵（F型)、油泵（Y型）、泥浆泵（P型）。离心泵的流量调节通过关闭出口阀门的方式调节。n往复泵：往复泵：主要由汽缸、活塞、排气阀和吸气阀组成，排气阀和吸气阀均为单向阀（膨胀体积过大）。分为单动和双动往复泵以及三联泵等。其流量调节方式为旁路加阀。n往复泵的压头与流量无关，它只受泵体和输液管路承压能力的限制，适用于输送压头高且流量比较大的液体；对于输送高黏性液体
14、，其效果也比离心泵好，但不宜输送腐蚀性液体和夹有固体颗粒的悬浮液。2022-6-920第三章第三章 传传 热热n传热分类：传热分类：包括稳态传热与非稳态传热。在传热进行时，物体各点温度不随时间而变、仅随位置变化的传热过程称为稳态传热。传热过程中，温度总是由温度高的物料传至温度低的物料。n传热的基本方式：传热的基本方式：按传热机理划分为热传导、热对流和热辐射。热传导是依靠物体内部自由电子运动或分子振动来传递热量。热对流是指流体各部分质点发生相对位移而引起的热量传递，只能发生在流体中。只要物体的温度高于绝对零度，物质的原子和分子就会振动而向外发射各种波长的电磁波，当波长为0.440um的电磁波被投
15、射到另一物体上，能够呗该物体吸收变成热能，故把这一波长范围内的电磁波称为热射线，由于热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。（黑体）n传热过程：传热过程：将热量由壁面一侧通过壁面传到壁面另一侧的过程称为传热过程。2022-6-921n间壁式传热的三个步骤：间壁式传热的三个步骤： 热流体对壁面的对流传热、间壁的热传导、壁面对冷流体的对流传热。也就是“对流-传导-对流”串联的复合传导方式。n面积热流量面积热流量q：表示通过固体单位传热表面积热流量的大小，也称热流量密度。定义为。n热流量：热流量：在数值上与传热量相等。但意义不同。热流量与传热面积和两流体的平均温度差成正比。n热流量计算公式为，传热量的
16、计算公式，K为总传热系数，为两流体的平均温度差，q为面积热流量。前者适用于流体，后者适用于固体表面。n等温面等温面:指某一瞬间温度场中具有相同温度值的点组成的面，是平面或曲面。n温度梯度：温度梯度：温度随距离的变化率以沿与等面垂直的方向为最大，这一最大变化率的极限值称为温度梯度。2022-6-922n傅里叶定律：傅里叶定律： q为面积热流量，为导热系数， 为温度梯度。负号表示热流方向和温度梯度方向相反。n导热系数：导热系数： 导热系数在数值上等于单位 时间内，温度梯度为1Km-1时，经过单位到热面积所传递的热量。它是物质导热能力的标志，数值越大，表示物质导热能力越强。气体导热系数最小，液体居中
17、，固体（绝缘材料除外）导热系数最大 在固体材料中金属材料导热系数最大10-100，建筑材料次之0.1-1，绝缘材料最小0.01-0.1。dndTqdndTdndTq2022-6-923n固体的导热系数不仅与物质的种类有关，还与物质的结构、密度、温度、湿度等因素有关。除水、甘油的导热系数岁温度升高而增加外，其它液体导热系数都随温度升高而减小。气体导热系数在很大压力变化范围之内变化很小，可以忽略，但随温度升高而增大。静止的气体导热系数值很小，其导热性能差，但对保温很有利。n热流量热流量： ， 热流量正比于传热推动力，反比于热阻。热阻与导热系数、传热面积成反比，与壁厚成正比。n传热有效膜：传热有效膜
18、：假设由一层厚度为的静止流体膜所具有的热阻，恰好和拟考查的对流传热过程的热阻相当，则将该静止的流体膜称为传热有效膜。定义 ，并且与R互为倒数关系。（实际不存在）n流体：流体：分为液体、气体、蒸气三种。其中蒸气的传热膜系数最大，液体的传热膜系数最小，气体居中。热阻传热推动力RTAT2022-6-924n当流体呈湍流流动时，值随着Re的增大和层流内层的厚度减薄而增大。强制对流时流体的速度高于自然对流，故前者的传热膜系数较大。n间壁两侧流体间传热的总热阻：间壁两侧流体间传热的总热阻：等于两侧流体的对流传热的热阻与间壁传热热租之和。nK值：值：提高K值通常应改善传热膜系数较小一侧流体的传热条件。n清垢
19、：清垢：常用机械法、化学法（酸碱处理）、溶剂法（或专门配置的表面活性剂处理）。n流体流向：流体流向：并流（冷热流体在间壁两侧以相同的方向流动）、逆流（冷热流体在间壁两侧以相反的方向流动）、错流（冷热流体在间壁两侧彼此呈垂直方向流动）、折流（冷热流体之一在间壁一侧只按一个方向流动，而另一侧的流体先与其做并流流动，然后折回与其做逆流流动，如此往复）。2022-6-925n在相同K值的条件下，未完成同样的热负荷（相同），采用逆流操作，可以节省传热面积；或在传热面积相同时采用逆流操作可以提高热流量。此外逆流操作还可以减少加热剂或冷却剂的使用量。并流操作只适用于在加热热敏材料时防止温度差过大的场合。n多
20、层列管式换热器;由于流道变窄，流速增加，传热膜系数增大，对传热有利，但是流速增加使流体流动的沿程阻力增大，工业多用24程。n强化传热目的强化传热目的:减少初设计的传热面积，以减少传热器的体积和质量；提高换热器得换热能力；使换热器在较低温下工作；减少换热阻力，以减少换热器的动力消耗。n强化传热途径强化传热途径;增大传热面积；增大平均温度差；增大总传热系数（减小热阻加大流速、清除垢层）。2022-6-92622111AAAAKmm令由于温差沿着传热壁面变化 mmtKA （4）称为热交换基本方程式中: k传热系数，单位与相同 即（w/m2k） （4）2022-6-927若传热面为平壁，则AAAAm2
21、1这时 21111K（5）若传热面积有垢层时，2022-6-928传热平均温度差T2t2t1T1逆流T1T2t1t2并流2022-6-9293、逆流、并流时对数平均温度差、逆流、并流时对数平均温度差 工业上最常用的是逆流和并流。平均温度差要用冷热流体进出口温度差的对数平均值计算 212112211221ttIntttTtTIntTtTtm）（）（逆212122112211ttIntttTtTIntTtTtm）（）（并2022-6-930在计算中，取数值大的为t1，小的为t2，以保证分子和分母都是正数。若 可用算术平均值代替 对数平均值，即2/21tt221tttm2022-6-931本章小结n
22、传热方式n传热计算n传热设备2022-6-932n 在含有两个或两个以上组分的混合体系中，若有浓度梯度存在，某以组分（或某些组分）将由高浓度区向低浓度区移动，该移动过程称为传质过程 。n传质过程可以在单相中进行，也可以是在两相中进行。n 两相间传质是分离过程的基础2022-6-933传质分离操作的种类传质分离操作的种类 分离过程可分为机械分离和传质分离。 机械分离的对象是非均相的混合物料，利用该混合物中组分间的密度、尺寸等物性差异将其分离。（过滤、沉降、离心分离等） 传质分离过程是针对各种均相混合物料的分离，如酒精与水德混合物的分离。混合物分离操作非均相混合物的分离沉降过滤均相混合物的分离气体
23、吸收液体精馏液液萃取2022-6-934n分离过程：分离过程：机械分离与传质分离。机械分离的对象是非均相的混合物料，利用该混合物中组分间的密度、尺寸等物性差异将其分离，包括过滤、沉淀、离心分离等。传质分离过程是针对各种均相混合物料的分离，包括气体吸收、液体精馏、液液萃取。n常见的传质分离操作：常见的传质分离操作：蒸馏、吸收与解吸、液液萃取、吸附、干燥、膜分离、热扩散。n传质机理：传质机理：分子扩散和对流扩散。分子扩散是由物质分子的微观随机运动而产生的扩散，分为等物质的量反向稳态扩散和单方向扩散（属于稳态扩散，也称通过停滞介质的扩散）。依靠流体内部漩涡的强烈混合而引起的物质传递过程称为涡流扩散，
24、湍流流体与两相界面之间物质的传递既有分子扩散也有涡流扩散，合称对流扩散。2022-6-935nFick定律：定律： ， 为组分A的分子扩散通量，即单位时间内，组分A通过与扩散方向相垂直的单位面积上的物质的量，为扩散系数，是物质分子扩散的属性。n等物质的量反向稳态扩散：等物质的量反向稳态扩散：扩散发生在气相混合物内或两组分性质相似的液相中时，A相和B相的传质系数相等。n对于体系中仅发生单纯的分子扩散而没有物料的主体流动存在下，组分的传质通量和其分子扩散通量相等。dldcDNAABA0,2022-6-936n双膜理论：双膜理论：呈湍流流动的两流体接触面的两侧，分别存在着流体的有效膜层，溶质以稳态分
25、子扩散形式通过这两个膜层，膜层的厚度岁流体的流动状态而变化两流体间的传质阻力都集中在两个膜层内，膜层以外的两相流体主体，不存在浓度梯度在两相接触的界面上，两相都达到平衡状态。n气液相际传质步骤：气液相际传质步骤：组分A从气相主体以湍流扩散方式达到气膜边界，分压为p；再以分子扩散方式穿过气膜层达到两相的界面，分压为pAi；在界面上组分A不受任何阻力溶解与液相中，浓度为cAi,并与气相pAi呈平衡；接着组分A又以分子扩散方式穿过液膜层达到液膜边界，浓度为cA；最后组分A以湍流扩散方式转移到液相主体。2022-6-93737dzdcDJAEAB dzdcDDJAEAB 湍流：湍流：DE占主要地位占主
26、要地位。层流：层流：D占主要地位；占主要地位； 依靠流体内部漩涡的强烈混合而引起的物质传递称依靠流体内部漩涡的强烈混合而引起的物质传递称为涡流扩散。为涡流扩散。2022-6-938主主 要要 内内 容容吸收操作的概述；吸收操作的概述；气液相平衡及吸收推动力；气液相平衡及吸收推动力；吸收速率方程；吸收速率方程；低浓度气体吸收过程的计算；低浓度气体吸收过程的计算；其他类型吸收过程简介。其他类型吸收过程简介。2022-6-939 吸收是工业生产中用来吸收是工业生产中用来分离混合气体的一种重要分离混合气体的一种重要单元操作。单元操作。原理：原理：吸收是利用混合吸收是利用混合气中各组分在溶剂中的溶气中各
27、组分在溶剂中的溶解度的差异分离气体混合物。解度的差异分离气体混合物。2022-6-940实例：实例：煤气生产中的苯回收流程煤气生产中的苯回收流程 在炼焦和制取城市煤在炼焦和制取城市煤气生产中，焦炉煤气气生产中，焦炉煤气内含有少量的苯内含有少量的苯 、甲、甲苯类低碳氢化合物的苯类低碳氢化合物的蒸汽（约蒸汽（约35g/m3），），应予以分离。应予以分离。吸收吸收解吸解吸流程见例图流程见例图吸收操作流程吸收操作流程由流程可知三点由流程可知三点2022-6-941n吸收吸收 ：利用气体混合物中各组分在同一溶剂中溶解性的差异，在混合气体中加入某种溶剂，使气体中的某一或某些组分向液相转移，实现气体混合物分
28、离的操作。n吸收操作流程：吸收操作流程：富油贮槽-吸收塔-冷却器-换热器（泵1-回收溶剂）-泵2-解吸塔（-洗油贮槽）-冷凝冷却器-液体分层器-分离。n吸收分类：吸收分类：物理吸收和化学吸收、等温吸收和非等温吸收、单组分吸收和多组分吸收。n相律：相律：F=C-+2，C为独立组分数，为相数，F表示影响因数，即自由度。2022-6-942n物质的量的比：物质的量的比： （气相）， （液相），物质的量的比与摩尔分数间的关系为 n溶解度曲线：溶解度曲线：溶解度曲线上任意一点表示平衡状态时的气液组成，说明要使气体在溶液里达到某一浓度，液面上方必须维持该气体一定的平衡分压。同一物系，在相同温度下，气体的溶
29、解度随着该组分在气相中的分压增大而增大，在相同的平衡分压下，气体的溶解度随温度的升高而减小。惰性组分的物质的量的物质的量气相中溶质AAY吸收剂的物质的量的物质的量液相中溶质AXAAAxx1XAAAyy1YA2022-6-943n溶解度曲线：溶解度曲线：溶解度曲线上任意一点表示平衡状态时的气液组成，说明要使气体在溶液里达到某一浓度，液面上方必须维持该气体一定的平衡分压。同一物系，在相同温度下，气体的溶解度随着该组分在气相中的分压增大而增大，在相同的平衡分压下，气体的溶解度随温度的升高而减小。n气体分类：气体分类：易溶气体（氨气）、中等可溶气体（二氧化硫）、微溶的气体（氧气）。微溶气体与液体接触时需要液面上方分压较大，易溶气体与液体接触时需要液面上方分压较小。并且易知加压与降温有利于吸收，升温和减压有利于解吸。
